為什麼太陽系的行星,都是沿著太陽公轉的?宇宙中的星系都這樣?

2020-12-05 阿彬探世界

在想像太陽系的時候,我們大腦裡通常會有一個巨大的圓盤,上面有許多環,代表著行星的軌道運動,可能是因為從小課本上就是這麼畫的,所以我們很自然地認為所有的行星都在同一個軌道平面上。不但如此,它們還以相同的方向繞太陽運行。

但你有沒有想過為什麼?這是一個巨大的巧合嗎?或者是不是因為什麼事情才導致這一現象的?如果有這麼一個過程,我們能找到證據嗎?正如你猜測的,這並不是一個巨大的巧合,因為我們不僅觀察到行星沿著同一個方向繞太陽運行,而且衛星也是這樣做的,所有的氣態巨星都有衛星環繞飛行,他們也都朝著同一個方向前進,比如土星它的衛星就和土星環在同一平面上統一朝向繞著土星運行,但這一切是怎麼發生的?為什麼發生的?讓我們回到數億年前太陽系形成之前,在星雲的中心身處氣體和塵埃懸浮在原地,每一個粒子都用自己內部的排斥壓力抵抗對方的盈利。

直到有一天外部的能量推動,就像超新星的衝擊波震動了星雲內的氣體和塵埃,破壞了內部的壓力,導致粒子碰撞並聚集在一起。更快,這些團塊就會附著到其他團塊上,他們的質量和重力會隨著每個粒子的附著而增加,在幾千年內正在形成的物質間的撞擊開始變得更加劇烈,導致星雲中心的物體升溫。隨著質量和重力的增加,星雲中的更多物質被吸進物體中,形成了一顆被稱為圓恆星的恆星,或者是一顆核心還沒有開始核聚變的非常年輕的恆星。

一開始原恆星周圍的物質會從各個方向聚攏過來,這樣會導致原恆星周圍的環境非常混亂。粒子之間的碰撞經常發生,它們的角動量將被抵消,角動量在物理學中是指與物體的原點的位移和動量相關的物理量。這些正在下沉的例子從四面八方靠近,相互碰撞,相互抵消,我們可以從一個視頻裡更好地理解這一原理,視頻中實驗者使用卡紙來帶。代表宇宙時空,中間的球有著巨大的質量,正在扭曲時空並產生重力。

這就像在宇宙中三維空間中的重力一樣,試驗者圍繞著這個中心物體向從兩個相反的方向將小球拋出,小球在卡紙上旋轉,知道它們與另一個相反方向的球碰撞,抵消了彼此的動量,剩下那些沒有碰撞的球,他們就會慢慢調整位置,開始朝著同一個方向運動。

由於卡紙的摩擦,這些小球會慢慢減速,直至完全停下來。但是在宇宙時空中我們不用考慮摩擦力的問題,你可以想像粒子繼續繞軌道運動。另外這是四地宇宙中的三地平面上發生的事情的二維表示,所以你需要想像這些例子也沿著另一個軸運動,所以最終的結果是只剩下一個大多數粒子的運動方向,從而形成了一個原行星盤。

當越來越少的物質落入原恆星,並開始在其周圍的軌道上運行時,物質又開始結塊,如果足夠多的物質聚集在一顆紅心上,可能最終會形成另一顆紅心,使其成為雙星甚至多星系統。否則這些團塊最終會合併成行星,在這些行星周圍又會形成一個類似於原行星盤相似的,使得行星已與圓盤相同的方向旋轉,最終圓盤中的物質形成了衛星。

即使在今天我們也可以觀察到這種物質的團塊還是以土星為例,卡西尼號在執行任務時發現土星環內形成了微小衛星,因為各種引力相互作用產生的物質聚集在一起,其中一些小衛星很快就解體了。我們相信在我們早期的太陽系中也發生過這種情況,但有些衛星一直持續到卡西尼號任務結束,也許有一天他們最終會形成非常微小的衛星。

事實上太陽系的軌道平面並不是完全平坦的,有些行星有幾度的偏移,但這影響不大。儘管太陽系中的物質如小行星和彗星仍會撞擊一些行星來刷存在感,但是我們可以通過測量暴露在外的天氣,比如衛星和其他天體上的隕石坑的年齡,看到發生碰撞的次數大幅減少。

從這些線索我們可以了解到,在宇宙形成不久的混亂中,所有的行星都遭到了小行星和隕石的猛烈轟擊,但隨著更多有序排列的出現,碰撞的次數會逐漸減少,直到形成今天我們看到的太陽系。所以我們可以假設類似的過程形成了其他恆星系統。我們不久前才觀察到,圍繞其他恆星運行的大型行星也沿著類似的平面旋轉!

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    第一代大恆星終結後,爆炸成為超新星,周圍的物質被噴射到宇宙中。這些星際物質的一部分往往又聚集在一起,形成新的星系,太陽系就是這樣形成的。如此相當於行星所處的平面,就是主矩所在的平面,太陽和所有行星對z軸動量矩的和,就是主矩。因為太陽系各星球之間的力為內力,上式右端為零。學過數學就知道,左端ΣM(mv)為一常數,這就是動量矩守恆定理。所以太陽為參考系,太陽和行星繞太陽中心z軸轉動的動量矩不變。也就是說,在太陽系的形成過程中,太陽系總的動量矩即主矩,大小和所在平面始終是不變的。
  • 太陽系中為什麼包括太陽在內的大部分天體都是逆時針自轉和公轉?
    在我們的天空中有兩個比較突出,而且特別重要的天體,那就是太陽和月亮。每一年、每一天,它們都會從東方升起,在西方落下。這是為什麼呢?因為地球在繞著南北軸自西向東旋轉!這就是為什麼在白天或者夜晚,我們看到所有天體都在東方升起,在西方落下。
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    中學地理課上我們會學到一個名詞,叫做黃道面,這是地球環繞太陽公轉時形成的一個平面。儘管地球形成的公轉平面才叫黃道面,但太陽系所有行星都大致在這個盤面附近圍繞太陽公轉!當然還有一個名詞叫做銀道面,是大量環繞銀心公轉的恆星形成的銀盤面,與太陽系的黃道面是一個虛擬的平面不一樣,應道面是客觀存在的,因為大量的恆星形成了一個切切實實的盤面!
  • 為什麼太陽系的行星基本都在相同平面上公轉?
    太陽系中的已知八大行星並非在完全相同的一個平面上繞著太陽旋轉,例如,水星的公轉軌道與太陽赤道的夾角約為3.4度,而天王星的約為6.5度。但行星的公轉軌道之間的夾角很小,可以認為它們大致運行在相同的平面上。至於原因,這與太陽系的形成方式有關。
  • 太陽系當中,八大行星的公轉方向,為何都是一致的?
    太陽系當中,八大行星的公轉方向,為何都是一致的?我們知道在太陽系當中存在八大行星,其中包括水星金星地球火星四顆固態小行星,還有木星土星天王星海王星四顆氣態巨行星——天王星和海王星又由於溫度極低,表面覆蓋一層冰殼,也被定義為氣態巨行星下的冰巨星分類。八大行星圍繞著太陽公轉的同時也在自轉,同時太陽本身也在自轉。
  • 為什麼宇宙中的天體都在轉動?
    地球本身有自轉,同時還會繞著太陽公轉。月球的陰晴圓缺是月球環繞地球公轉的結果。雖然滿月看起來都是一樣的,但月球也有自轉,只是自轉與公轉達到了同步。另外,太陽自身也有自轉,平均周期為27天。同時,太陽還會環繞銀河系中心旋轉,周期大約為2.3億年。 那麼,為什麼宇宙中的天體都會旋轉呢?有沒有不會旋轉的天體呢?
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    在沒有牛頓萬有引力定律發現之前,日心學說早已經確立,但萬有引力定律發現後,可以利用牛頓萬有用引力定律來計算和確定行星軌道,這樣,萬有引力定律成為解說行星繞太陽公轉的原因。這樣,萬有引力定律被引入了日心學說,並認為:太陽是太陽系的引力中心和質量中心,所有行星在太陽引力作用下,繞著太陽公轉,形成穩定的太陽系。
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    相信人類走出地球之後,都會被宇宙的各種奇特景象所震撼和吸引,其中最引人注目的就是無數的天體,它們非常有秩序地在自己的軌道上運行,除了少數小行星可能偶爾調皮脫離自己的軌道之外,大行星的運行基本都非常穩定。地球是太陽系八大行星之一,我們站在地球上無法感知到地球的運動。可是站在太空中,你就會發現地球除了自轉之處還在圍繞太陽公轉,而且速度都非常快。
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  • 行星、矮行星、小行星、彗星都繞太陽公轉,為什麼名字各不相同?
    在我們的宇宙空間中,有大量的天體存在,包括恆星、行星、矮行星、小行星、衛星、彗星、黑洞、星際物質等等。所有這些天體都處在不停的運動之中,天體之間相互吸引、相互繞轉,從而形成了不同等級的天體系統。太陽是太陽系的中心天體,其他天體,如行星、矮行星、小行星和彗星等都是繞著太陽公轉。
  • 行星為何繞太陽公轉?來看看天文學家是如何回答的
    古時候,天文學家們認為所有的天體——太陽,月亮,行星,恆星——都圍繞地球運動,像是鑲嵌在一層層的透明球殼裡。隨著科學的發展,人們能夠更好地認識我們在宇宙中的位置,他們發現所有的行星,包括地球在內,實際上是圍繞著太陽運動的。科學家們不僅發現了行星繞太陽運動,他們也知道了造成這種現象的原因。
  • 太陽係為啥這麼平?難道遭到了降維打擊?星系咋不是球形的呢?
    很少有星系呈現這樣的形態為什麼太陽系裡許多天體的公轉軌道幾乎都在同一個平面附近呢?如果你放眼星空,你會發現,除了太陽系外,宇宙中許多星系都是又扁又平的,我們所在的銀河系就如同一個大盤子一般。可不要以為這個規律在星系的尺度才成立,大到黑洞的吸積盤,小到與我們同在太陽系的土星環都是扁平的盤狀。
  • 都說太陽系誕生於星雲,為什麼地球是行星,還有那麼多小行星?
    用靠譜和嚴謹一點的說法,地球應該是滾著來的,因為地球在公轉軌道上不斷的自轉,因此用滾來形容一點問題都沒有哈!開個玩笑,相信大家都知道這個話題說的肯定是地球的起源!那麼有哪些靠譜的說法呢?布豐認為一顆小行星撞擊太陽,將太陽撞落一個碎塊,隨之冷卻成了地球!法國數學家、物理學家拉普拉斯在十八世紀末(1796年)在《宇宙體系論》一書中提出了太陽系起源於星雲的假說,和德國哲學家康德的說法基本一致,因此成太陽系起源說又被稱為"康德-拉普拉斯學說"!
  • 《恆星、行星和星系》| 帶你在天文學的歷史中漫步
    你知道太陽是離我們有多遠嗎?世界很大,大到人類需要發明宇宙飛船去探索太空,想了解恆星、行星的秘密嗎?跟隨我們的腳步,進入這個奇妙無比的天文世界吧! 人類探索宇宙的歷史妙趣橫生,《恆星、行星和星系》一書講述了天文方面的知識以及有關天文的基本常識,用活潑生動的語言介紹人類如何確定天體的位置和天體運動的規律。
  • 地球為什麼會自轉和公轉?
    天文觀測發現,宇宙中幾乎所有天體都存在自轉。在理論中存在不自轉的天體,比如史瓦西黑洞,不過雖然該類黑洞不自轉,但是黑洞周圍的吸積盤卻可能存在旋轉。天體的自轉可以分為較差自轉和剛體自轉,差別在於不同緯度上角速度是否相同,如果相同則是剛體自轉,反之亦然。比如恆星以及氣態行星就屬於較差自轉,而像地球這樣的巖石行星等天體則被認為是剛體自轉。
  • 為什麼星球都是漂浮著,而不是下落?其實地球這樣的行星還在上升
    你會發現,行星越靠近太陽,它的公轉速度就會越快,距離太陽最近的水星公轉速度已經超過47 KM/S。雖然速度在宇宙中很難發生變化,但是引力大小卻很容易發生變化。我們有掉落的概念,是因為引力,如果說主引力方向就是下降的話,那麼地球對太陽而言正在上升,而且是每天都在逃離太陽。
  • 為什麼星球都是漂浮著,而不是下落?其實地球這樣的行星還在上升
    你會發現,行星越靠近太陽,它的公轉速度就會越快,距離太陽最近的水星公轉速度已經超過47 KM/S。這是因為兩個天體之間的引力和它們之間的距離有關,距離越近,引力就越大,所以需要更大的離心力來與之平衡。雖然速度在宇宙中很難發生變化,但是引力大小卻很容易發生變化。我們有掉落的概念,是因為引力,如果說主引力方向就是下降的話,那麼地球對太陽而言正在上升,而且是每天都在逃離太陽。
  • 地球在公轉,怎麼證明太陽也在公轉呢?
    圖中的金星和水星是行星,其餘為恆星,虛線為黃道故事當然不會這樣簡單地結束,相傳一位名叫馬克羅比烏斯的古希臘先賢就曾提出懷疑,他認為即便是恆星可能也不會老老實實地繞著北天極旋轉2 「奔跑」的太陽系在哈雷發現一些恆星的相對位置出現變化後,很快就有科學家提出了猜想,認為遠處的恆星如同行星一般,一直在沿著某個軌道運動著。當時,伽利略提出的運動的相對性原理已經深入人心,因此也可以認為原處的恆星靜止,太陽系一直在不停地運動著。
  • 地球在公轉,怎麼證明太陽也在公轉呢?
    圖中的金星和水星是行星,其餘為恆星,虛線為黃道故事當然不會這樣簡單地結束,相傳一位名叫馬克羅比烏斯的古希臘先賢就曾提出懷疑,他認為即便是恆星可能也不會老老實實地繞著北天極旋轉。2「奔跑」的太陽系在哈雷發現一些恆星的相對位置出現變化後,很快就有科學家提出了猜想,認為遠處的恆星如同行星一般,一直在沿著某個軌道運動著。